Nghiên cứu đột phá tìm ra cách bộ não học hỏi
Chúng ta học những điều mới như thế nào? Làm thế nào mà các nhiệm vụ như một công việc mới, lời bài hát hay đường đi tới nhà của một người bạn đã được mã hóa trong bộ não của chúng ta như thế nào?
Câu trả lời rộng hơn là bộ não của chúng ta phải thích ứng để điều tiết những thông tin mới. Để tuân theo một hành vi mới hoặc duy trì thông tin mới được tiếp nhận, mạch não trải qua sự trao đổi.
Rất nhiều sửa đổi được vận hành khắp hàng nghìn tỉ synap – các điểm điểm tiếp hợp giữa từng tế bào thần kinh, hay còn gọi là neuron —nơi sự truyền đạt thông tin trong não được thực hiện. Trong một quá trình điều phối phức tạp, thông tin mới là nguyên nhân khiến những synap nhất định mạnh thêm với dữ liệu mới trong khi các synap lại trở nên yếu hơn.
Các nhà khoa học thần kinh đã nghiên cứu chặt chẽ về những thay đổi mà họ gọi là “sự linh hoạt của synap” đã nhận diện được vô số các quá trình phân tử dẫn đến sự linh hoạt này. Tuy nhiên đến nay, vân chưa rõ các quy tắc lựa chọn mà các synap trải qua trong quá trình này, một bí ẩn trong đó là cuối cùng nó vận hành như thế nào để học hỏi thông tin mà bộ não nắm bắt.
Nhà sinh học thần kinh ĐH California San Diego William “Jake” Wright, Nathan Hedrick và Takaki Komiyama đã khám phá những chi tiết chính trong quá trình này. Kết quả được xuất bản trong tạp chí Science.
Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp hiển thị não tiên tiến, bao gồm hình ảnh hai photon, để nhìn vào hoạt động của não bộ chuột rồi dò theo các hoạt động của các synap và tế bào thần kinh trong suốt hành động học hỏi.
Với năng lực có thể thấy từng synap mà trước nay chưa từng có, các hình ảnh mới tiết lộ các neuron không tuân theo một bộ quy tắc trong mọi kịch bản học hỏi, như giả định về lối suy nghĩ thông thường. Hơn thế, dữ liệu tiết lộ từng neuron tuân theo nhiều quy tắc, với các synap trong từng vùng tuân theo các quy tắc khác biệt.
Các phát hiện mới được hỗ trợ bằng những hình ảnh tiên tiến ở nhiều vùng, từ não và các rối loạn hành vi đến AI.
“Khi con người nói về sự linh hoạt synap, nó thông thường liên quan đến sự đồng bộ trong bộ não”, theo Wright, một postdoct của trường Khoa học Sinh học và tác giả thứ nhất của nghiên cứu. “Nghiên cứu của chúng tôi đem lại một hiểu biết rõ ràng hơn về cách các synap được biến đổi trong quá trình học tập, với những gợi ý quan trọng về sức khỏe do nhiều bệnh về não cũng liên quan đến sự hoạt động khác thường của synap”.
Các nhà khoa học thần kinh đã nghiên cứu cẩn trọng về cách các synap chỉ có thể tiếp cận với thông tin “địa phương” của chính mình, đã định hình những hành vi mới học hỏi ở quy mô rộng hơn, một bài toán hắc búa được dán nhãn như “vấn đề phân công” (credit assignment problem). Vấn đề này tương tự như việc mỗi con kiến hành động với các nhiệm vụ cụ thể mà không cần hiểu biết về mục tiêu của cả đàn.
Phát hiện mới cho thấy các neuron tuân theo nhiều quy tắc cùng một lúc khiến các nhà nghiên cứu phải ngạc nhiên. Các phương pháp tiên tiến trong nghiên cứu cho phép họ hiển thị thông tin đầu vào và đầu ra về những thay đổi trong các neuron khi chúng đang diễn ra.
“Phát hiện mới về cơ bản thay đổi cách chúng ta hiểu về việc bộ não giải quyết vấn đề phân công như thế nào, với khái niệm từng neuron thực heienj các tính toán khác nhau một cách song song trong những ngăn dưới mức tế bào khác nhau”, tác giả chính của nghiên cứu Takaki Komiyama, một giáo sư ở Khoa Thần kinh học (Trường Khoa học sinh học) và Khoa học thần kinh (Trường Y), và tham gia trong Viện khoa học dữ liệu Halıcıoğlu và Viện Não và Trí tuệ Kavli.
Thông tin mới đem lại những cái nhìn hứa hẹn về tương lai của AI và các mạng thần kinh dạng não mà chúng vận hành. Cụ thể, một chức năng mạng lưới thần kinh trên một bộ tập hợp các quy tắc linh hoạt chung nhưng nghiên cứu này gợi ra kết luận về những cách có thể để thiết kế các hệ AI tiên tiến bằng việc sử dụng đa quy tắc khắp các bộ phận suy biến.
Với sức khỏe và hành vi, phát hiện này có thể mở ra cách mới để điều trị các điều kiện bệnh, bao gồm chứng nghiệm, rối loạn căng thẳng hậu chấn thương và bệnh Alzheimer cũng như các bệnh rối loạn phát triển thần kinh như tự kỷ.
“Công trình này đặt một nền tảng tiềm năng của nỗ lực hiểu cách bộ não hoạt động một cách thông thường, cho phép chúng ta hiểu tốt hơn cái gì dẫn đến lỗi để xảy ra các loại bệnh khác nhau”, Wright nói.
Phát hiện mới đang dẫn các nhà nghiên cứu đến một cơ hội đào xới sâu hơn để hiểu cách các neuron có thể sử dụng các quy tắc khác nhau cùng lúc như thế nào và cái gì là lợi ích mà chúng nhận được khi sử dụng đa quy tắc.
Anh Vũ dịch từ University of California – San Diego
Nguồn: https://today.ucsd.edu/story/groundbreaking-study-uncovers-how-our-brain-learns
